Comment l'impression 3D révolutionne la conception et la performance des composants hydrauliques

[Crédit image : Renishaw]
 
La demande pour de nouvelles approches dans la conception et la fabrication de composants hydrauliques est en hausse. Une technologie permettant aux fabricants d'explorer de nouvelles opportunités dans la fabrication hydraulique est l'impression 3D.
 
De Liebherr et Ford à Bosch Rexroth, les entreprises se tournent vers l'impression 3D pour créer des composants hydrauliques plus écoénergétiques, plus légers et moins coûteux.
 
Le Spotlight Application d'aujourd'hui plonge dans les avantages de l'impression 3D pour les systèmes et composants hydrauliques, tout en explorant les exemples les plus passionnants de la technologie en action.
 
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Pourquoi utiliser l'impression 3D pour les composants hydrauliques ?

 
L'hydraulique est l'un des moyens les plus efficaces pour créer du mouvement lorsque des charges lourdes sont impliquées, ou qu'un mouvement répétitif est nécessaire.
 
Les systèmes hydrauliques utilisent des pompes pour pressuriser un liquide, et son mouvement est ensuite utilisé pour tout alimenter, des grues aux voitures.
 
L'hydraulique est partout autour de nous au quotidien. Elle est utilisée dans les véhicules, équipements de construction, bâtiments et installations de fabrication.
 
Les composants hydrauliques sont traditionnellement fabriqués par usinage ou moulage. Cependant, de nombreux fabricants d'équipements hydrauliques s'intéressent à la production de composants hydrauliques, tels que collecteurs, servo-vannes et blocs adaptateurs hydrauliques, en utilisant l'impression 3D. Mais qu'est-ce qui les pousse à considérer cette technologie en premier lieu ?
 
Selon Steffen Haack, responsable de l'unité commerciale Hydraulique Industrielle chez Bosch Rexroth AG, de nombreuses tendances façonnent l'industrie hydraulique, notamment :

• Efficacité énergétique (forces de flux réduites, pertes de charge réduites, efficacité accrue)
• Réduction du bruit
• Volumes de réservoir réduits
• Niveau de pression plus élevé et espace d'installation réduit
• Propriétés des matériaux et de l'huile améliorées
• Disponibilité accrue et maintenance prédictive
• Convivialité
• Sécurité

L'impression 3D, particulièrement avec les métaux et le sable, joue un rôle important dans la conduite de certaines de ces tendances, comme l'efficacité énergétique accrue et l'espace d'installation plus petit.
 
Comment ? En permettant des conceptions avancées qui permettent d'incorporer de nouvelles fonctionnalités, de réduire le poids et la taille des composants et d'améliorer la performance globale du système hydraulique.
 
Plongeons plus profondément dans les avantages de l'impression 3D pour l'hydraulique.
 

Réduire le poids et la taille des composants hydrauliques

L'impression 3D permet aux fabricants de composants hydrauliques de rendre les pièces plus légères et plus petites.
 
Prenez un collecteur hydraulique comme exemple. Cette pièce, qui aide à réguler le flux de fluide entre les composants d'un système hydraulique, est généralement usinée à partir d'un bloc de métal massif.
 
Enlever plus de métal en excès que nécessaire est coûteux, et fréquemment, l'excès de métal n'est pas usiné, résultant en une pièce qui pèse plus qu'elle ne le pourrait potentiellement.
 
L'impression 3D aide à surmonter ce problème, car elle nécessite presque la même quantité de matériau nécessaire pour produire un collecteur.
 
Dans un processus d'impression 3D métallique, comme le frittage laser sélectif, un laser trace une section transversale micron-mince d'une pièce, fondant et fusionnant sélectivement une couche de poudre métallique couche par couche. Cela permet aux ingénieurs de contrôler la quantité de matériau qui entre dans la pièce, utilisant moins de métal que l'usinage CNC n'en exigerait.
 
En plus de réduire le poids des composants, l'impression 3D permet également des pièces plus compactes qui s'adaptent mieux aux espaces contraints par la conception. Cet avantage rend les composants hydrauliques imprimés en 3D particulièrement recherchés dans les applications nécessitant haute précision et légèreté.
 
Projecteur : Collecteur imprimé en 3D d'Aidro

 
Un exemple de composant hydraulique imprimé en 3D vient du fabricant italien Aidro.
 
Le collecteur hydraulique d'Aidro, utilisé dans les machines agricoles, a été redessiné pour économiser du poids et de l'espace dans le système où il est utilisé. Le collecteur en aluminium imprimé en 3D remplit les mêmes fonctions que l'unité qu'il remplace mais fait moitié taille et est 75 % plus léger que le collecteur précédent.
 
Consolidation de pièces

L'impression 3D permet également de rendre les composants plus petits, en intégrant plusieurs pièces en une seule — une approche connue sous le nom de consolidation de pièces.
 
Cela permet aux fabricants d'éliminer les assemblages complexes de composants, ainsi que d'améliorer l'intégrité structurelle d'une pièce, car il y a moins de points de jonction faibles qui peuvent causer des fuites.
 

Optimiser l'efficacité

L'impression 3D permet de redessiner les géométries internes d'un composant hydraulique pour optimiser le flux de fluide et réduire la perte de charge.
 
Prenant les collecteurs comme exemple, les ingénieurs peuvent positionner les canaux de flux de fluide à l'intérieur d'un collecteur précisément là où ils sont nécessaires et dans une variété de formes et tailles. Cela signifie que les canaux de flux peuvent avoir des formes courbes et être espacés plus près qu'avec les collecteurs conventionnels, ce qui rend le produit fini plus compact et plus léger.
 
Les chemins de flux courbes peuvent améliorer l'efficacité de flux de 30 à 70 pour cent, selon les rapports.

 
Redessiner la forme de la section transversale des canaux de flux peut aussi faire une différence. Par exemple, les chemins de flux dans les tiroirs de vannes ont généralement une forme ronde, car ils sont usinés avec des fraises rotatives.
 
L'impression 3D permet aux ingénieurs de concevoir des sections transversales de chemins de flux carrées au lieu de rondes, ce qui peut augmenter la capacité de flux jusqu'à 20 pour cent et réduire la perte de charge.
 
De plus, les composants hydrauliques traditionnels, comme les collecteurs, nécessitent souvent l'usinage de passages croisés forés qui doivent ensuite être bouchés pour prévenir les fuites d'huile. Ces canaux bouchés créent cependant des chemins de fuite potentiels qui peuvent causer une défaillance du système. L'impression 3D élimine ce problème, en supprimant le besoin de créer des passages croisés forés en premier lieu.
 

Plus d'exemples de composants hydrauliques imprimés en 3D

Impression 3D d'un bloc adaptateur hydraulique

 
GKN Additive a imprimé en 3D un bloc adaptateur hydraulique, qui est un collecteur qui dirige le flux de fluide dans un système hydraulique, reliant vannes, pompes et actionneurs.
 
Les blocs hydrauliques traditionnellement utilisés ont tendance à avoir une conception blocky avec un ensemble de canaux internes forés. Le processus de fabrication des blocs hydrauliques commence par le forage de trous par le haut et par le bas.
 
Les trous verticaux sont ensuite connectés par des canaux horizontaux, et les filets sont coupés dedans. Pour prévenir les fuites d'huile des canaux horizontaux ouverts, ils sont bouchés avec des vis de pression et scellés.
 
Ce processus, cependant, est hautement inefficace pour plusieurs raisons. Premièrement, les bords forés et fraisés créent des bavures acérées difficiles à atteindre en post-traitement. Celles-ci peuvent parfois se briser pendant le fonctionnement et causer une défaillance du système.
 
Deuxièmement, les points de connexion aux angles vifs génèrent un flux turbulent, résultant en inefficacités énergétiques. Troisièmement, les canaux horizontaux inutilisés peuvent accumuler de la saleté, réduisant la durée de vie opérationnelle du système hydraulique.
 
L'impression 3D a aidé GKN Additive à surmonter les défis ci-dessus pour créer un bloc hydraulique plus performant.
 
Le poids du bloc hydraulique a été réduit de 30 kg à 5,5 kg, sans sacrifier aucune fonctionnalité. Avec une nouvelle conception, il a été possible d'éliminer l'excès de matériau et d'assurer qu'il n'y avait pas de chevauchements d'alésages dans la pièce.
 
De plus, la nouvelle conception omet complètement les canaux horizontaux inutilisés, donc la saleté n'a nulle part où s'accumuler. Enfin, pour réduire le flux turbulent dans le système, les ingénieurs ont remplacé les angles internes vifs par des pipelines lisses.
 
En résumé, les avantages de l'impression 3D pour cette application : l'impression 3D a permis au fabricant d'améliorer la fonctionnalité du composant, tout en utilisant moins de matériau. Cela s'est traduit par un poids de pièce plus faible et un coût de fabrication réduit.
 

Bloc de vanne hydraulique imprimé en 3D de Liebherr

 
Un autre bon exemple de l'impression 3D pour l'hydraulique vient du groupe Liebherr. Grâce à l'impression 3D, l'entreprise a pu redessiner un bloc de vanne hydraulique haute pression, utilisé dans l'aviation, pour le rendre plus léger et plus efficace.
 
L'équipe Liebherr a intégré 10 éléments fonctionnels dans le nouveau bloc de vanne, éliminant le système complexe de tuyauterie avec de nombreux alésages transversaux. Le résultat est un bloc de vanne 35 % plus léger, fait de moins de pièces.
 
La pièce imprimée en 3D a été testée avec succès lors d'un vol d'essai de l'avion A380.
 

Domin Fluid Power réinvente ses systèmes de puissance hydraulique avec l'impression 3D

 
Le fabricant britannique de systèmes hydrauliques, Domin, s'est tourné vers l'impression 3D pour redévelopper ses servo-vannes à entraînement direct haute performance, utilisées pour transformer des signaux en pression.
 
Domin affirme que l'impression 3D lui donne la capacité de construire des pièces complexes, plus vite et sans outillage. Par exemple, l'entreprise a conçu l'un de ses entraînements qui fait 25 % de la taille originale et 25 % plus puissant. La pièce a été produite pour un tiers du coût, et le temps de fabrication a été réduit de 5,5 heures à seulement 1 heure.
 
De tels résultats seraient impossibles à atteindre avec des méthodes conventionnelles, affirme Domin.
 

Ford imprime en 3D un collecteur d'admission

Bien que nous ayons vu des exemples de composants hydrauliques imprimés en 3D pour équipements lourds et avions, Ford a été pionnier de l'impression 3D pour les systèmes hydrauliques automobiles.
 
L'année dernière, le constructeur a présenté ce qu'il prétend être le plus grand collecteur d'admission métallique imprimé en 3D jamais mis dans un véhicule fonctionnel.
 
Ce véhicule est le 'Hoonitruck' Ford pickup de Ken Block.

 
Le véhicule nécessitait un collecteur d'admission spécial pour alimenter les cylindres du moteur en air depuis les turbocompresseurs, et Ford a décidé de se tourner vers l'impression 3D métallique.
 
La pièce est imprimée en 3D en aluminium, sur une machine Concept Laser, et a pris 5 jours à construire. En utilisant un logiciel CAO de pointe, il a été possible de créer une structure complexe en forme de toile qui ne pouvait pas être fabriquée avec des méthodes traditionnelles. La conception est optimisée pour une meilleure performance et un poids inférieur — la pièce finale ne pèse que 6 kg.
 

Bosch Rexroth utilise l'impression 3D de sable pour collecteurs

 
En plus de l'impression 3D métallique, il y a aussi l'option d'imprimer un noyau en sable qui peut ensuite être utilisé pour couler un composant hydraulique. Le processus utilisé pour cette application s'appelle le binder jetting, et il fonctionne en déposant sélectivement un agent liant sur une couche de sable siliceux.
 
Bosch Rexroth utilise l'impression 3D de sable pour produire des noyaux de coulée pour blocs de commande, depuis plusieurs années maintenant.
 
Parmi les avantages clés, Bosch Rexroth cite la capacité d'intégrer des composants de machine, comme des filtres dans le collecteur, et une réduction de poids jusqu'à 30 %.
 
Les avantages supplémentaires incluent l'élimination du besoin de trous auxiliaires qui peuvent causer des fuites et l'optimisation des canaux de flux internes qui améliorent l'efficacité énergétique.
 

Réinventer les composants hydrauliques avec l'impression 3D

Alors que l'industrie hydraulique s'efforce vers des composants plus écoénergétiques et plus petits, l'impression 3D offre une option pour développer et produire des designs plus performants.
 
Voyant les avantages en délai, économies de poids, coûts et performance permis par l'impression 3D, de nombreux fabricants de composants hydrauliques commencent à explorer cette technologie pour leurs produits.
 
Pour l'avenir, nous attendons que le rôle de l'impression 3D dans la production de composants hydrauliques augmente, aidant les entreprises de l'industrie hydraulique à suivre les tendances actuelles et futures.